Исследователь разрабатывает биоинспирированную технологию на основе уха летучей мыши

Рольф Мюллер, профессор механической инженерии в Вирджинском технологическом университете, черпал вдохновение из летучих мышей, чтобы разработать новую биоинспирированную технологию, которая может определить место происхождения звука. В отличие от предыдущих подходов, которые часто основаны на человеческом ухе, Мюллер изучал ухо летучей мыши, чтобы получить первое новое представление об определении местоположения звука за последние 50 лет.

«Я давно восхищаюсь летучими мышами за их необыкновенную способность ориентироваться в сложных природных средах на основе ультразвука и подозревал, что необычная подвижность ушей животного может иметь отношение к этому», – сказал он.

Мюллеру помогал бывший аспирант и ведущий автор Сяо Янь Инь. Результаты были опубликованы в Nature Machine Intelligence.

Ухо летучей мыши vs. человеческое ухо

Летучие мыши полагаются на эхолокацию, чтобы ориентироваться во время полета, и это позволяет им определять расстояние до объекта, слушая эхо, когда они издают звуки. Рот или нос летучей мыши издает ультразвуковые сигналы, которые отражаются от окружающей среды и возвращаются в виде эха. Это явление называется эффектом Доплера, и они также могут извлекать информацию из окружающих звуков.

Этот эффект отличается от человеческого уха, когда наши два уха позволяют нам определять местоположение через звуковые данные, которые поступают в мозг для обработки. Имея два приемника, мы можем обнаружить направление звуков, когда они содержат только одну частоту.

В 1967 году было сделано открытие, которое показало, что одно человеческое ухо может обнаружить местоположение звука, если есть разные частоты.

Человеческое ухо было источником вдохновения для различных подходов к обнаружению местоположения звука в прошлом, которые полагались на приемники давления, такие как микрофоны, и способность собирать несколько частот.

Мюллер увидел, что есть большие возможности с ушами летучих мышей, которые намного более универсальны, чем человеческие уши. Его команда решила использовать одну частоту и один приемник вместо нескольких.

https://www.youtube.com/watch?v=buFM5KkAnEo

Разработка технологии

Одним из первых шагов было воссоздание способности летучих мышей двигать своими ушами, что они сделали, создав мягкое синтетическое ухо, прикрепленное к нити и простому двигателю. Эта система была синхронизирована с ушами, которые трепетали всякий раз, когда они получали входящий звук.

Уши летучих мышей, которые послужили вдохновением для новой технологии, имеют полную трансформацию звуковых волн, которая основана на форме наружного уха. Эта часть уха летучей мыши использует движение уха при приеме звука для создания нескольких форм для приема, и звук направляется в слуховой канал.

Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулась команда, было извлечение читаемых и интерпретируемых данных из входящих звуковых волн. Для этого они поместили ухо над микрофоном, чтобы создать подобную механизму летучей мыши.

Из-за быстрых движений трепещущего наружного уха были созданы сигнатуры сдвига Доплера, которые были связаны с направлением источника звука. Однако было еще не легко интерпретировать из-за сложных узоров.

Команда затем обратилась к глубокой нейронной сети, обучив ее предоставлять направление источника с каждым полученным эхом.

Система была протестирована с ушами, установленными на вращающейся раме, которая включала лазерный указатель. Громкоговоритель был затем размещен в разных направлениях относительно уха, и звуки были изданы.

После определения направления звука контрольный компьютер повернул систему так, чтобы лазерный указатель попал в цель на громкоговорителе, что привело к определению местоположения с точностью до половины градуса. Это впечатляет, когда сравнивается с предыдущими результатами, которые показали, что человеческие уши обычно определяют местоположение с точностью до 9 градусов, и современная технология смогла определить его с точностью до 7,5 градусов.

«Возможности полностью выходят за рамки того, что сейчас находится в пределах досягаемости технологии, и все это достигается с гораздо меньшими усилиями», – сказал Мюллер. «Наша надежда – привнести надежную и способную автономию в сложные наружные среды, включая точное сельское хозяйство и лесное хозяйство; наблюдение за окружающей средой, такое как мониторинг биоразнообразия; а также оборонные и безопасные приложения».